【文章內(nèi)容簡介】 煤 空氣 圖 11 合成氨工藝流程圖 碳化塔在生產(chǎn)方法中的作用 碳化塔由塔體、封頭、溶液入口、冷卻水箱、進 氣 口、排氣口及出料口構成 ，是合成氨廠碳化工段的主要設備。碳化塔是合成氨廠的心臟，直接影響各項性能指標的完成 、消耗的高低、質量的優(yōu)劣、生產(chǎn)能力的大小、甚至是投資的高低。碳化塔內(nèi)除塔盤、汽液分布板、除沫裝置與其他的塔設備有相同的結構外，還有使反應順利進行的冷卻裝置等結構，是合成碳酸氫氨的反應器，為Ⅱ類壓力容器。 在碳化塔內(nèi)進行著二氧化碳的吸收、碳化反應、碳酸氫銨結晶等過程，塔內(nèi)同時存在著氣體、液體、固體。 含有氮氣、氫氣和二氧化碳的變換氣進入碳化塔后，二氧化碳與氨水反應生成碳酸氫氨。典型的生產(chǎn)碳酸氫氨小型氮肥廠以無煙煤為原料，先制取半水煤氣，后經(jīng)脫除硫化氫后，進入加壓變換反應系統(tǒng)，得到的氮氫氣和二氧化碳混合氣體進入碳化 塔，造氣 脫硫凈化 壓 縮 變 換 碳 化 氨合成 離 心 分 離 氨 母 液 成品 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 在碳化塔內(nèi)二氧化碳與濃度為 17%左右的氨水反應，生成碳酸氫氨結晶經(jīng)離心機分離，即得到碳酸氫氨產(chǎn)品。 發(fā)展狀況 解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949 年全國氮肥產(chǎn)量僅 萬噸，而 1982 年達到 萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產(chǎn) 30 萬噸氮肥的大型化肥廠設備。我國自行設計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn) 30 萬噸氮肥的大型化肥廠。 這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術和設備都很先進 。 由于石油價格的飛漲和深加工技術的進步，以 “ 天然氣、輕油、重油、煤 ” 作為合成氨原料結構、并以天然氣為主體的格局有了很大的變化，絕大多數(shù)目前已經(jīng)停車或進行以結構調(diào)整為核心內(nèi)容的技術改造。我國目前 的 合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位，現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨的技術。目前合成氨在與國際接軌后，今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結構，進一步改善經(jīng)濟性。根據(jù)合成氨技術發(fā)展的情況分析，估計未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變，其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞 “ 降低生產(chǎn)成本、提 高運行周期，改善經(jīng)濟性 ” 的基本目標，進一步集中在 “ 大型化、低能耗、結構調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行 ” 等方面進行技術的研究開發(fā)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 第二章 殼體厚度計算 選材 筒體、封頭及支座的選材 根據(jù)壓力容器用鋼應考慮的使用條件，碳化塔設計可選材料主要有 Q245R 和Q345R。 Q245R：在 20鋼基礎上發(fā)展起來的，主要是對硫、磷等有害元素的控制更加嚴格，對鋼材的表面質量和內(nèi)部缺陷控制的要求也較高。碳素鋼強度較低，塑性和可焊性較好，價格低廉，常用在中低壓容器制造，也用于支座、墊板等零 部件的材料。 Q345R：屬于低合金鋼，是在碳素鋼基礎上加入少量合金元素的合金鋼。在熱軋或熱處理狀態(tài)下除具有高強度外，還具有優(yōu)良的韌性、焊接性能、成型性能和耐腐蝕性能。 低合金鋼可以減小容器厚度，減輕重量，節(jié)約材料，而且能解決大型壓力容器在制造、檢測、運輸、安裝中因厚度太大所帶來的種種困難。一般情況下，相同規(guī)格的碳素鋼價格低于低合金鋼，正常選材應選用經(jīng)濟和理性更好的碳素鋼，但由于本設計中的介質是碳化氨水，有很強的腐蝕性，從使用壽命和抗腐蝕性方面考慮應選用價格高一些的合金鋼。 從以上對比以及碳 化塔的使用工藝條件，工作介質的毒性腐蝕性、材料的焊接性能、冷熱加工性能及容器的結構，綜合考慮容器的制造工藝及經(jīng)濟性能，筒體、封頭及支座的材料選用 Q345R。 換熱器選材 管箱選材 根據(jù)使用工藝條件，工作介質的毒性腐蝕性、材料的焊接性能、冷熱加工性能及容器的結構，綜合考慮容器的制造工藝及經(jīng)濟性能，管箱的材料選用 Q345R。 換熱管選材 常用的材料有碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、鋁合金、銅鎳合金、鈦等。此外 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。設計時根據(jù)工作 壓力、溫度和介質腐蝕性等選用合適材料。對于碳化塔中的換熱管來說要求數(shù)量不多，質量較輕有較高的傳熱系數(shù)，綜上所述選擇 LF3 型鋁合金板。 管板選材 管板一般選用鍛件材料， 鍛件在石油化工設備中有著廣泛的應用。如球形儲罐的人孔、法蘭，換熱器所需的各種管板、對焊法蘭催化裂化反應器的整鍛筒體，加氫反應器所用的筒節(jié)，化肥設備所需的頂蓋、底蓋、封頭等均是鍛件。 目前常用的鍛件主要是 16Mn 鋼鍛件。 綜上所述，管板 材料選用 16Mn 鋼鍛件。 分布錐選材 分布錐一般選用高合金鋼材料， 0Cr18Ni10Ti 用于制造深沖成型零件，輸酸管道，儲罐和儲酸容器等，也可用作鉻鎳不銹鋼和鉻不銹鋼焊條，低溫環(huán)境下的部件及輸酸管道、容器等 ，且具有較好的耐腐蝕性能。 綜上所述，分布錐材料選用 0Cr18Ni10Ti。 接管選材 接管一般也選用優(yōu)質碳素鋼材料， 20鋼常 用于制造各種低中壓鍋爐、過熱蒸汽管、沸水管、水冷壁管及機車鍋爐用過熱蒸汽管、大煙管、小煙管和拱磚管等 。 有 很 高的持久強度、抗氧化性能， 不但有 良好的組織穩(wěn)定性 ，且有較好的耐腐蝕性能。 綜上所述，接管選用碳素鋼材料 20鋼。 除沫器選材 除沫裝置一般選用低合金鋼，低合金鋼可以減小容器厚度，減輕重量，節(jié)約材料。 Q345R 屬于低合金鋼，是在碳素鋼基礎上加入少量合金元素的合金鋼。除具有高強度外，還具有優(yōu)良的韌性、焊接性能、成型性能和耐腐蝕性能。 綜上所述，選用 Q345R。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 氣液分布板選材 常用的材料有碳素鋼及低合金鋼，兩者相比低合金鋼可以減小容器厚度，減輕重量，節(jié)約材料，而且能解決大型壓力容器在制造、檢測、運輸、安裝中因厚度太大所帶來的種種困難，且低合金鋼的耐腐蝕性更強，本設計中介質是碳化氨水，其有較強的腐蝕性。 綜上所述，選用 低合金鋼 Q235AF。 支承架選材 在各冷卻管組中采用支承架，既起到支承作用，又起到折流作用。支承架主要有支承板、連接板和圓鋼組成。支承板材料選擇聚氯乙烯，通過連接板與圓鋼連接，連接板材料選用 Q235B。 選型 筒體選型 根據(jù)工藝條件選用圓柱形筒體。 封頭選型 （ 1）半球形封頭 : 從受力分析來看，球形封頭是最理想結構形式。但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難。半球形封頭常用在高壓容器上。 （ 2）橢圓形封頭 : 由半個橢球面和短圓筒組成，直邊段的作 用是避免封頭和圓筒的連續(xù)焊縫處出現(xiàn)徑向半徑突變，以改善焊縫受力狀況。由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。 （ 3）碟形封頭 : 是以不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑的兩個曲面連接處，由于曲率的較大變化而存在著較大的邊緣彎曲應力。該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其他部位，故受力狀況不佳。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 （ 4）錐殼封頭 : 由于結構不連續(xù)導致應力分布不理想。 綜上所述封頭應選用，橢圓形封頭 。 支座選型 耳式支座 : 又稱懸掛式支座，廣泛用于反應釜及立式換熱器等直立設備上。 腿式支座 : 簡稱支腿，多用于高度較小的中小型容器中。 支承式式支座 : 用于高度不大，安裝位置距基礎面較近的立式容器。 裙式支座 : 用于比較高大的立式容器，特別是塔器。 綜上所述支座應選用，裙式支座。 換熱器選型 換熱器主要有 浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、 U 形管板換熱器、 板式換熱器等 。 U形管板換熱器 結構比較簡單、價格便宜，承載能力較強，且其內(nèi)部換熱管排布較少，根據(jù)管程、殼程壓力 按照 GB1511999 進行設計，綜合考慮選取 U 型管換熱器作為冷卻管組設計。 綜上所述，選用 U 型管換熱器。 換熱管排列選型 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉角正三角形、轉角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，用得最為普遍 。 綜上所述， 換熱管排列形式 選用 正三角形 。 人孔選型 人孔是用來檢查、裝拆和洗滌容器內(nèi)部的裝置，對于直 徑大于 1000mm 的容器就應該設置人孔。常見的人孔有圓形和橢圓形兩種為使操作人能自由出入，圓形人孔的直徑至少應為 400mm，橢圓形人孔尺寸一般為 350mm179。 450mm。 綜上所述，采用圓形人孔，開孔直徑為 600mm。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計說明書 除沫器選型 除沫器用于分離塔中氣體夾帶的液滴，以保證有傳質效率，降低有價值的物料損失和改善塔后壓縮機的操作，降低含水量，延長壓縮機的壽命，一般多在塔頂設置除沫器?？捎行コ?35um 的霧滴，塔盤間若設置除沫器，不僅可保證塔盤的傳質效率，還可以減小板間距。 碳化塔塔頂?shù)某b置一 般采用絲網(wǎng)除沫器。 綜上所述，選用絲網(wǎng)除沫器。 壁厚計算 工藝條件及參數(shù)確定 表 21 工藝參數(shù)性能表 工作介質 碳化氨水、變換氣 工作壓力 工作溫度 36℃ 塔體高度 15150mm 塔體內(nèi)徑 3000mm 本設計采用雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全熔透對接接頭，且為局部無損檢測，所以焊接接頭系數(shù) φ =。 根據(jù)壓力容器常用鋼板負偏差規(guī)定，即 Q245R、 Q345R、 16MnDR 等的負偏差均為，所以 C1為 。由于在無特殊腐蝕情況下， 對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕余量不小于 1mm，所以取 C2為 2mm。 圓筒壁厚計